促进薄板材料流动的搅拌摩擦焊接工具

1.本实用新型涉及微搅拌摩擦焊技术领域，尤其涉及一种促进薄板材料流动的搅拌摩擦焊接工具。


背景技术：

2.随着轻量化趋势不断发展，薄壁件焊接需求不断增加。微搅拌摩擦焊技术是由搅拌摩擦焊技术发展而来，用于厚度小于1mm薄壁件连接，具有节能绿色，焊接缺陷少，接头质量高等优点。
3.搅拌摩擦焊焊接工具是实施微搅拌摩擦焊的关键。由于被焊接件的壁厚较薄，传统的搅拌工具是由夹持端、轴肩和搅拌针组成，其有以下几点缺陷：首先，传统的搅拌工具均采用一体式设计，这种设计方式使得当轴肩和搅拌针发生疲劳破坏的时候，整个焊接工具都要报废，造成了极大的资源浪费，增加了焊接成本；其次，搅拌工具轴肩直径比较大，这种大轴肩搅拌工具使得在进行微搅拌摩擦焊接时，板材有撕裂的可能性；并且，传统的搅拌摩擦焊焊接适用的转速较低，这种低转速使得在焊接薄板时，薄板较快的散热速度，使得在焊接过程中，焊核区塑性材料无法得到充分地流动，影响焊接质量。


技术实现要素：

4.针对现有技术不足，本实用新型的目的在于提供一种促进薄板材料流动的搅拌摩擦焊接工具。
5.为了实现上述目的，本实用新型一实施例提供的技术方案如下：
6.一种促进薄板材料流动的搅拌摩擦焊接工具，包括：
7.夹持部；
8.过渡部，与所述夹持部相连接；
9.轴肩，与所述过渡部可拆卸连接，所述轴肩的自由端面设置有至少一个沟槽；
10.搅拌针，设于所述轴肩的自由端面。
11.作为本实用新型的进一步改进，所述过渡部包括台肩、与所述台肩相连接的圆弧过渡部，所述台肩与所述夹持部相连接，所述圆弧过渡部与所述轴肩螺纹连接。
12.作为本实用新型的进一步改进，所述轴肩的自由端面沿周向设置有均匀分布的至少两个所述沟槽。
13.作为本实用新型的进一步改进，所述沟槽呈圆弧形。
14.作为本实用新型的进一步改进，所述沟槽的中心线距离所述轴肩的自由端面圆心距离为1mm。
15.作为本实用新型的进一步改进，所述沟槽的槽宽为0.2mm、槽深为0.05mm。
16.作为本实用新型的进一步改进，所述轴肩的直径为3mm。
17.作为本实用新型的进一步改进，所述搅拌针呈三角台状。
18.作为本实用新型的进一步改进，所述搅拌针的至少一个尖角部设置有倒圆角。
19.作为本实用新型的进一步改进，所述搅拌针的针长为0.28-0.32mm。
20.本实用新型的有益效果是：
21.(1)通过将夹持部与轴肩采用分体式设计，使得轴肩及搅拌针在发生疲劳破坏的时候，可以对失效部位进行更换，减少了资源浪费，降低了焊接成本，提高了焊接效率。
22.(2)轴肩的自由端面设置有沟槽，可以有效促进焊核区材料的塑性流动，并且可以缓解由于轴肩下压导致的金属材料外溢，增加了焊缝均匀性，提高了焊接质量。
23.(3)轴肩采用小轴肩设计，可以减小轴肩影响区的作用范围，降低了板材被撕裂的可能性；并且，整体采用微型设计，提高了设备运行的稳定性，易于形成均匀致密焊缝。
24.(4)搅拌针呈三角台状，增大了搅拌针与板材的接触面积，易于材料的充分搅拌；并且，降低了由于针长较短导致的脆性断裂，提高了焊接工具的使用寿命。
附图说明
25.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为本实用新型的优选实施例的结构示意图；
27.图2为本实用新型的优选实施例的部分爆炸结构示意图；
28.图3为本实用新型的优选实施例的轴肩的结构示意图；
29.图4为使用本实用新型的优选实施例的焊接工具在转速1600rpm、焊速300mm/min、下压量0.1mm的工艺参数下对厚0.5mm的6061铝合金薄板进行单道次对接焊焊核区材料塑性应变仿真云图；
30.图5为使用现有普通焊接工具在与本实施例相同工艺下进行焊接的材料塑性应变仿真云图：
31.图中：1、夹持部，101、倒角，2、过渡部，201、台肩，202、圆弧过渡部，203、螺纹孔，3、轴肩，301、沟槽，302、螺柱，4、搅拌针，401、尖角部，402、倒圆角。
具体实施方式
32.为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。
33.请参阅图1-图3，本技术实施例公开了一种促进薄板材料流动的搅拌摩擦焊接工具，包括夹持部1、过渡部2、轴肩3和搅拌针4。过渡部2与夹持部1相连接，轴肩3与过渡部2可拆卸连接，轴肩3的自由端面设置有至少一个沟槽301，搅拌针4设于轴肩3的自由端面。夹持部1与轴肩3分体式设计，使得轴肩3或者搅拌针4在发生疲劳破坏的时候，可以对破坏部分进行单独更换，不需要报废整个焊接工具，减少了资源浪费，提高焊接效率，并且此焊接工具为搅拌摩擦焊专用工具，在探索轴肩3直径对焊接质量影响的工艺试验中，需要有不同轴
肩的焊接工具，使用分体式连接方式，只需加工不同直径的轴肩3，降低焊接成本；并且轴肩3上设置沟槽301，扩大了与焊核区塑性材料的作用面积，提高了轴肩3对材料的控制作用也就是增加对材料的顶锻作用，在焊接过程中，促进材料随着轴肩3的旋转而沿着沟槽301流动，有效促进薄板材料塑性流动，利于形成均匀致密的焊缝，增加了焊缝均匀性，焊缝质量好，同时沟槽301的存在，可以使塑性材料暂存沟槽301内，有效减少塑性材料的外溢，焊缝减薄量可以有效降低，提高焊缝质量。
34.在本实施例中，夹持部1呈圆柱状，便于与焊机的主轴固定。优选夹持部1的直径为12mm、高度为35mm，强度好。为了防止应力集中的产生，优选夹持部1的自由端设置有倒角101，锐边倒钝c0.5。
35.具体地，过渡部2包括台肩201、与台肩201相连接的圆弧过渡部202，台肩201与夹持部1相连接，圆弧过渡部202与轴肩3螺纹连接。台肩201呈圆柱状，台肩201的直径大于夹持部1的直径。具体地，台肩201的直径为17mm、高度为10mm。圆弧过渡部202的半径为35mm。圆弧过渡部202内设置有螺纹孔203。螺纹孔203的孔径为2.05mm、孔深为5mm、螺距为0.45mm。
36.在本实施例中，轴肩3的自由端面沿周向设置有均匀分布的至少两个沟槽301。搅拌针4位于至少两个沟槽301围成的空间内，提高对材料搅拌的均匀性。具体地，沟槽301呈圆弧形，更好地使得材料随着轴肩3的旋转而沿着圆弧形的沟槽301流动。沟槽301的中心线距离轴肩3的自由端面圆心距离为1mm，沟槽301在轴肩3上设置的位置适中，能够更好地促进材料塑性流动以及有效减少塑性材料的外溢。优选沟槽301的槽宽为0.2mm、槽深为0.05mm。更具体地，轴肩3的自由端面沿周向设置有均匀分布的三个沟槽301，三个沟槽301在同一圆周上。
37.具体地，轴肩3与圆弧过渡部202相对的端面一体成型有螺柱302，螺柱302旋紧在螺纹孔203内。
38.本实施例中，轴肩3的直径为3mm，可以减小轴肩3影响区的作用范围，降低了板材被撕裂的可能性。
39.具体地，搅拌针4呈三角台状，增大了搅拌针4与板材的接触面积，能够促进焊核区材料的充分搅拌，同时降低了由于针长较短导致的脆性断裂的可能性，提高了搅拌针4的使用寿命。为了减少应力集中，优选搅拌针4的至少一个尖角部401设置有倒圆角402，进一步避免搅拌针4的断裂。倒圆角402的半径为0.1mm。搅拌针4的针长为0.28-0.32mm。
40.为了进一步提高搅拌针4的强度和搅拌效果，优选搅拌针4采用半径为0.5mm的圆内接正三角形所形成。优选搅拌针4的中心线经过轴肩3的自由端面圆心。
41.优选焊接工具采用h13工具钢制成，整体强度好。
42.为了验证本实施例焊接工具结构的合理性，采用有限元软件abaqus对焊接工具进行仿真模拟，观察轴肩影响区材料的等效塑性应变，判断材料流动的均匀性。
43.图4是采用本实施例的焊接工具，按照焊接参数：转速1600rpm、焊速300mm/min、下压量0.1mm进行的数值模拟。图5是采用现有焊接工具，按照焊接参数：转速1600rpm、焊速300mm/min、下压量0.1mm进行的数值模拟。通过对比两种焊接工具作用下板材的等效塑性应变，可以发现图4的焊核区材料的等效塑性应变最大值达到了188，说明此时在轴肩3和搅拌针4的搅拌和摩擦作用下，材料已经充分达到了热塑性流动状态。而图5的焊核区最大等
效塑性应变值只有131，材料的流动不规则，出现了焊接缺陷，如图5的右下端所示，此右下端处缺失了一段。因此，采用本实施例的焊接工具的材料具有更好的塑性流动性，进而导致焊缝成型的均匀性比较好，并且材料塑性流动比较规律，焊接质量好。
44.对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
45.此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。